CN111959095B - 一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，该方法在形成纤维增强金属层合板材料的铝板与纤维之间铺设聚四氟乙烯片，经固化后获得层合板，根据电容随着纤维增强金属层板裂纹的扩展，实现对碳纤维增强金属层板的在线监测，能够即时反映碳纤维增强金属层板裂纹的扩展状态，对其进行裂纹预警具有重大意义。本发明所利用的纤维增强金属层板裂纹的扩展监测方法较为有效简单，无需复杂的操作过程，并且成本低廉，能够进行大范围的应用。

Description

一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法

技术领域：

本发明属于材料健康监测技术领域，具体涉及一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法。

背景技术：

近年来，随着复合材料和航空航天技术的不断发展，对飞行器的要求越来越高，使得复合材料在飞行器上的应用越来越广泛，所占比例越来越大。纤维增强层合板作为一种传统的复合材料，被不断的研究发展，使得其在飞行器上的应用比例越来越大。但是随着纤维增强金属层合板被不断应用在飞行器上，其结构损伤的监测问题也越来越重要。纤维增强复合材料构件在成型过程中伴随有复杂的理化反应，任何一个环节的微小差异都会导致构件出现不可逆的缺陷，使产品的完整性受到严重影响。加之组成复合材料的增强纤维和基体的性能存在很大差异，纤维性能的方向性和两者交界面性能的不确定性都使得复合材料在导电等物理性能方面呈显著的各向异性，是一种各项异性的构件。在外荷载的作用下构件中纤维和基体的破坏呈现出纤维断裂、基体开裂、纤维树脂分层等多种模式，因此寻找有效的试验手段解决构件破坏的过程中出现的问题具有重要意义。

近几十年来，随着健康监测技术飞速发展，其方法也越来越广泛。到目前阶段，针对纤维增强金属层合板常用的监测方法主要有声发射技术、光纤光栅传感法、电阻法、超声回波技术、数字投影条纹干涉技术等。声发射技术是利用缺陷部位出现的应力集中产生的能量以弹性波的形式释放出来，通过分析采集到的应力波信号，来判断结构内部的损伤部位及程度。电阻法是利用碳纤维的导电性，在承受外载荷后导致导电性能随结构的变化而变化，对电信号的处理，可监测结构的变化。超声回波技术是利用声传播的过程遇到不同的介质时表现出不同的特性，在同种介质中会持续往前传播，并伴有能量损失；遇到2种介质的界面时，会发生反射，通过持续接收、处理分析构件表面或内部反射出的不同特性的声波信号，来判断和评估构件的损伤位置和程度。在目前的对于纤维增强金属层合板的健康监测方法中，已有方法能够实现在线监测，比如光纤光栅传感法。但是该方法使用起来较为复杂，需要在纤维增强金属层合板中预埋光纤光栅，这会极大的增加生产纤维增强金属层合板的工艺过程，而且会导致层合板中存在复杂结构，这也可能会增加纤维增强金属层合板的出现损伤的概率。而本发明能够用极为简单的方式进行纤维增强金属层合板的在线健康监测，且方法简单，不需要复杂结构与仪器，且能够大大减少用于监测纤维增强金属层合板的成本，且有较高的精度。

实现在线监测技术能够即时反应纤维增强金属层合板的实时状态，这能够有效避免意外事故的发生，实现事故预警，这对纤维增强金属层合板的大范围应用及监测具有重大意义。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法。能够实现对碳纤维增强金属层合板的在线监测，能够即时反映碳纤维增强金属层合板裂纹的扩展状态，对其进行裂纹预警具有重大意义。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：取经表面阳极化处理后铝板和纤维材料，备用；

步骤2：利用导电银浆在处理后铝板边缘引出导线，并保证其良好的连接性和导电性；

步骤3：

(1)将处理后铝板与纤维材料进行交替铺设，并在两层之间涂覆胶黏剂，且保证最外层为处理后铝板层，铺设并黏结完成后，形成层压板；其中：

在任意处理后铝板与纤维材料之间，铺设一片聚四氟乙烯薄片，所述的聚四氟乙烯薄片与处理后铝板和纤维材料端部对齐，用于裂纹的引出，该层胶黏剂涂覆厚度以完全包裹聚四氟乙烯薄片为主；

(2)对层压板进行固化，制作纤维增强金属层合板，其中，所述的固化过程为：室温固化24h，之后在100-120℃下固化8-12h；

(3)对纤维增强金属层合板施压，以进行裂纹监测，获得电容随裂纹变化曲线，并记录电容初始值以及裂纹完全扩展时电容的临界值；

步骤4：将待测量纤维增强金属层合板放置于机械测试夹具上，并连接电感电容电阻测量仪，测试纤维增强金属层合板的电容变化，并比对电容随裂纹变化曲线，进行裂纹长度预测，完成裂纹监测。

所述的步骤1中，铝板为2024-T4铝板，厚度为0.3mm。

所述的步骤1中，纤维材料为玻璃纤维或碳纤维，所述的纤维材料厚度为0.2mm。

所述的步骤1中，取铝板进行表面阳极化处理，获得处理后铝板，所述的处理后铝板表面形成有微观通道，以增加铝板表面粗糙度以提高铝板表面与纤维材料的粘附力。

所述的步骤3(1)中，所述的胶黏剂由胶黏基体与固化剂按质量比为3.3:1混合而成，所述的胶黏基体为环氧树脂E51，所述的固化剂为J230固化剂。

所述的步骤3(1)中，聚四氟乙烯片厚度为10um，共铺设一片。

所述的步骤3(1)中，在制备过程中，取处理后铝板，向其表面涂刷混合剂，粘贴纤维层后，再次涂刷混合剂，粘贴处理后铝板，重复操作，获得纤维增强金属层合板。

所述的步骤3(2)中，纤维增强金属层合板总层数为五层，包括3层处理后铝板层和2层纤维层。

所述的步骤3(3)中，裂纹监测压力给力采用标准为ASTM D7905。

本发明的有益效果：

1.本发明利用电容的变化来监测纤维增强金属层合板，可以即时反映纤维增强金属层合板的裂纹扩展情况，能够对所应用的纤维增强金属层合板即时进行预警，能有效的防止事故的发生。

2.本发明所利用的纤维增强金属层合板裂纹的扩展监测方法较为有效简单，无需复杂的操作过程，并且成本低廉，能够进行大范围的应用。

3.本方法能够精确的监测裂纹的出现和扩展，即使很小的裂纹也可以监测，准确度高，反应灵敏。

附图说明：

图1为本发明实施例1的纤维增强金属层合板裂纹监测流程示意图，其中：

1-纤维增强金属层合板，2-聚四氟乙烯片，3-机械测试夹具，4-导线，5-电感电容电阻测量计；

图2为本发明实施例1的纤维增强金属层合板经裂纹监测后获得的归一化电容随裂纹长度变化曲线图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，其工艺流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：取经表面阳极化处理后的2024-T4铝板和玻璃纤维，铝板厚度为0.3mm，玻璃纤维厚度为0.2mm，备用；

步骤2：利用导电银浆在处理后铝板边缘引出导线4，并保证其良好的连接性和导电性，使之能够准确传递电学信号。

步骤3：

(1)将处理后铝板与纤维材料进行交替铺设，并在两层之间涂覆胶黏剂，且保证最外层为处理后铝板层，铺设并黏结完成后，形成层压板；其中：

由上至下，在第三层(铝板)与第四层(纤维层)之间，铺设一片厚度为10um，长度为40mm，宽度为25mm的聚四氟乙烯片2，用于初始裂纹的引出，所述的聚四氟乙烯片2与处理后铝板和纤维材料左端对齐，用于裂纹的引出，该层胶黏剂涂覆厚度以完全包裹聚四氟乙烯片2为主；

所述的胶黏剂由胶黏基体与固化剂按质量比为3.3:1混合而成，所述的胶黏基体为环氧树脂E51，所述的固化剂为J230固化剂；

(2)对层压板进行固化，制得纤维增强金属层合板1，纤维增强金属层合板1总层数为五层，包括3层处理后铝板层和2层纤维层，取试样进行后续监测实验，试样尺寸为150×25mm；其中，所述的固化过程为：室温固化24h，之后在120℃下固化10-12h；

(3)采用标准为ASTM D7905对纤维增强金属层合板1施压，以进行裂纹监测，获得电容随裂纹变化曲线，并记录电容初始值以及裂纹完全扩展时电容的临界值；

步骤4、在测试初始电容之前，将纤维增加金属层合板1放置到机械测试夹具3上。并将导线4连接到电感电容电阻测量仪5上，并且电感电容电阻测量仪5上的数据通过独立的笔记本电脑进行记录，不使用电源，尽量减小电源的干扰，完成初始电容的测试，本实施例中初始电容为137pF。

之后开始进行机械测试，开始出现裂纹并进行扩展，记录裂纹扩展过程中的电容变化。记录纤维增强金属层合板1裂纹完全扩展时电容的临界值，本实施例中为49pF。

步骤5、根据电感电容电阻测量仪5上电容的变化情况，并根据裂纹扩展的情况，进行分析，得到电容随裂纹扩展的变化规律，获得归一化电容随裂纹长度变化区曲线如图2所示，完成对纤维增强金属层合板1的裂纹监测。并根据裂纹完全扩展时电容的临界值，来进行纤维增强金属层合板1的损伤预警。

在该曲线基础上，取待检测纤维增加金属层合板1进行健康监测，当电容为80pF时，算出裂纹长度为17.2mm；另外利用高速照相机的常规方式观察裂纹扩展，经检测，裂纹长度为16.8mm，与本申请的监测方法吻合度达到97.6％。

Claims (5)

1.一种纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：取纤维材料和经表面阳极化处理后铝板，备用；

步骤2：利用导电银浆在处理后铝板边缘引出导线，并保证其良好的连接性和导电性；

步骤3：

(1)将处理后铝板与纤维材料进行交替铺设，并在两层之间涂覆胶黏剂，且保证最外层为处理后铝板层，铺设并黏结完成后，形成层压板；其中：

在任意处理后铝板与纤维材料之间，铺设一片聚四氟乙烯薄片，所述的聚四氟乙烯薄片与处理后铝板和纤维材料端部对齐，用于裂纹的引出，该层胶黏剂涂覆厚度以完全包裹聚四氟乙烯薄片为主；

所述的胶黏剂由胶黏基体与固化剂按质量比为3.3:1混合而成，所述的胶黏基体为环氧树脂E51，所述的固化剂为J230固化剂；

(2)对层压板进行固化，制作纤维增强金属层合板，其中，所述的固化过程为：室温固化24h，之后在100-120℃下固化8-12h；

(3)对纤维增强金属层合板施压，以进行裂纹监测，获得电容随裂纹变化曲线，并记录电容初始值以及裂纹完全扩展时电容的临界值；

步骤4：将待测量纤维增强金属层合板放置于机械测试夹具上，并连接电感电容电阻测量仪，测试纤维增强金属层合板的电容变化，并比对电容随裂纹变化曲线，进行裂纹长度预测，完成裂纹监测。

2.根据权利要求1所述的纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，其特征在于，所述的步骤1中，铝板为2024-T4铝板，厚度为0.3mm；纤维材料为玻璃纤维或碳纤维，厚度为0.2mm。

3.根据权利要求1所述的纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，聚四氟乙烯片厚度为10um。

4.根据权利要求1所述的纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，纤维增强金属层合板总层数为五层，包括3层处理后铝板层和2层纤维层。

5.根据权利要求1所述的纤维增强金属层合板材料的在线健康监测方法，其特征在于，所述的步骤3(3)中，裂纹监测压力给力采用标准为ASTM D7905。

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